A cada segundo, muitos processos físicos e químicos ocorrem ao nosso redor, que são extremamente difíceis de registrar. A complexidade reside não apenas nas dimensões dos objetos envolvidos, mas também na velocidade dos próprios processos. O disparo em alta velocidade desempenha um papel importante na pesquisa moderna, permitindo capturar fenômenos dinâmicos ultrarrápidos. Mas mesmo essa tecnologia tem seu limite, que pode ser exageradamente indicado em frames por segundo. Cientistas da Universidade de Shenzhen (China) conseguiram criar um sistema exclusivamente óptico capaz de atingir 15 trilhões de quadros por segundo. Que técnicas e fenômenos foram usados neste desenvolvimento, que experimentos práticos mostraram e onde esta criação pode encontrar sua aplicação? Encontraremos respostas para essas perguntas no relatório dos cientistas. Ir.
Base de pesquisa
A imagem de alta velocidade é uma ferramenta essencial para estudar processos dinâmicos rápidos, como ablação a laser de femtossegundo, propagação de filamentos de laser, dinâmica molecular, interação de ondas de choque em células vivas, etc.
Como esperado, a imagem ótica ultrarrápida, que pode fornecer visualização sem borrões de transientes, é uma ferramenta desejável para cientistas de uma ampla variedade de campos da ciência (química, física, engenharia óptica, ciência dos materiais, biomedicina, etc.).
No momento, já existem várias técnicas que permitem obter resultados bastante bons no campo da imagem óptica. Por exemplo, a imagem resolvida no tempo, baseada em técnicas de bomba e sonda, faz um excelente trabalho de dinâmica transiente reproduzível com altas taxas de repetição. No entanto, essa técnica perde sua vantagem ao trabalhar com processos que têm baixa taxa de repetição ou não se repetem.
O método de detecção de bomba pode ser substituído por uma única imagem óptica. Alguns trabalhos chegaram a chegar a 25 milhões de frames por segundo (Mfps). E aqui está uma foto ultrarrápida comprimida (CUP por fotografia ultrarrápida comprimida) Pode operar a uma taxa de quadros de 0,1 quadros por segundo trilhão (Tfps) com uma resolução de tempo de cerca de 50 ps, aplicando o algoritmo baseado no algoritmo de detecção de compressão * ( detecção de compressão ).
A detecção de compressão (detecção de compressão) * é uma técnica para obter e restaurar um sinal por meio do conhecimento de seus valores anteriores, que são rarefeitos ou comprimidos.A resolução espacial deste método pode ser aumentada em até 7 lp / mm (pares de linhas por milímetro, doravante - lp / mm). Se você adicionar uma lente 20x, obterá uma fotografia ultrarrápida compactada sensível à fase (pCUP), capaz de fornecer uma resolução espacial de alguns micrômetros e uma velocidade de imagem de 1 Tfps.
Em tal técnica, boa resolução espacial pode ser alcançada, o que não pode ser dito sobre resolução temporal. Portanto, é necessário um método que possa combinar os pontos fortes dos métodos acima.
Com a garantia dos cientistas, um grande candidato para este papel é a amplificação paramétrica óptica adequada (OPA por amplificação paramétrica óptica) Ao aplicar OPA a uma imagem ótica, as informações contidas no sinal podem ser copiadas para uma imagem em branco. Esse recurso inspirou os cientistas a criar um novo método de imagem ótica ultrarrápida de um tiro, chamado de imagem de amplificação óptica paramétrica não colinear (FINCOPA para imagens de enquadramento com base em amplificação paramétrica óptica não colinear ; NCOPA para amplificação paramétrica óptica não colinear ).
O dispositivo não colinear permite converter informações em quadros sucessivos em imagens em branco separadas espacialmente, usando amplificadores paramétricos ópticos de vários estágios bombeados por uma série de pulsos de laser.
Esse método totalmente óptico também evita quaisquer gargalos associados a componentes mecânicos e eletrônicos ativos para varredura rápida, o que é crítico para altas taxas de quadros.
Como funciona o FINCOPA
Imagem nº 1
O diagrama acima é uma ilustração do sistema FINCOPA. Um pulso de amostragem com uma largura temporal suficientemente grande foi usado para capturar todas as informações no transiente alvo. Além disso, uma sequência de pulsos ultracurtos (rotulados como gatilho-1, 2, 3 e 4) foi usada para acionar e trocar informações de imagem de diferentes fatias de tempo do pulso de amostra para uma sequência diferente de pulsos ultracurtos (rotulados como registrados-1, 2, 3 e 4 ) usando conversores óticos de imagem em cascata. Uma vez que as imagens gravadas estão espacialmente separadas umas das outras, elas podem ser recebidas por diferentes câmeras CCD (CCD de Charge Coupled Device ).
Os intervalos de quadro são determinados pelos atrasos relativos entre o pulso de amostra e os pulsos de disparo, enquanto o tempo de exposição das imagens pode ser estimado usando a duração dos pulsos de disparo. Assim, o tempo de exposição, a taxa de quadros efetiva e o número de quadros são independentes um do outro.
Para implementar essa ideia, é necessário um sistema de laser de femtossegundo com resolução de tempo de femtossegundo. Como os cientistas notaram, a sincronização de tempo precisa entre os pulsos de disparo e o pulso de amostra é extremamente importante aqui. Isso foi obtido através da obtenção de um pulso de amostra e pulsos de disparo da mesma fonte de laser, o que reduz as flutuações de tempo entre os pulsos sincronizados para vários femtossegundos. O número do quadro (N) é determinado pela relação entre a potência total do pulso de disparo disponível e a potência necessária para acionar cada conversor ótico de imagem.
OPA pode exibir informações de sinal em uma imagem inativa, portanto, amplificadores paramétricos ópticos podem servir como conversores de imagem. Além disso, o uso de pulsos ultracurtos como bombeamento para OPA significa tempos de exposição curtos para imagens OPA, ou seja, alta resolução temporal.
Em um amplificador paramétrico óptico, a OPA ocorre apenas durante a interação entre a bomba e o sinal, o que significa que a informação da imagem é exibida em modo inativo apenas sob a ação da bomba. A bomba tem uma largura de pulso muito menor do que o sinal, então pode funcionar como um obturador óptico. A velocidade do obturador pode ser estimada a partir da duração do pulso da bomba, e a resolução temporal é determinada principalmente pela duração do pulso ocioso. Ambas as durações serão iguais se a espessura dos cristais OPA for fina o suficiente para suprimir o desvio de tempo entre o sinal e os pulsos da bomba.
Além disso, a duração do pulso da bomba ultracurta contribui para a alta intensidade da bomba (por exemplo,> 100 GW / cm 2), que também tem um efeito positivo sobre o ganho OPA e permitirá alcançar uma grande largura de banda espaço-tempo.
Em outras palavras, a intensidade da bomba para o OPA é determinada pelo ganho e largura de banda do OPA necessários, mas também é limitada pelo tamanho de imagem necessário e pela potência da bomba disponível para o OPA.
Para uma intensidade de bomba específica e tamanho de imagem ou área de bomba de cada amplificador, o número de amplificadores ou o número de quadros pode ser estimado dividindo a potência total da bomba pela potência da bomba de cada amplificador. Além disso, o atraso de tempo entre o pulso da bomba e o pulso do sinal determina as fatias de tempo expostas do sinal em cada amplificador (τ).
A partir das diferenças entre cada valor de τ, os intervalos de quadros podem ser determinados. No sistema FINCOPA, o valor de τ é limitado apenas pelos tamanhos de passo mínimo disponíveis das linhas de atraso de tempo (DL das linhas de atraso ) e as flutuações dos caminhos do feixe de laser. Normalmente, o intervalo do quadro é mais longo do que a duração do pulso da bomba.
A Figura 1b mostra uma configuração FINCOPA experimental.
O laser de safira-titânio de femtossegundo utilizado possui os seguintes parâmetros: 1 kHz; 800 nm; 3,5 mJ; com uma duração de pulso de ~ 40 fs. A saída do laser passa primeiro por um segundo gerador harmônico (SHG): cristal β-BBO de 0,2 mm. A resolução de tempo da configuração experimental é de cerca de 50 fs.
Aproximadamente 30% do pulso de laser é convertido no segundo harmônico (ou seja, um pulso de 400 nm) com uma duração de pulso de ~ 40 fs. Depois de passar pelo separador de comprimento de onda (WS ), o pulso de 400 nm é dividido em quatro pulsos filhos por um grupo divisor de feixe (BSG ), incluindo três divisores 50:50, para bombear quatro amplificadores paramétricos ópticos (NCOPA-1 ... NCOPA -4). O número de amplificadores ou o número de quadros é igual a quatro, que é principalmente limitado pela potência de saída de pulso do sistema de laser de femtossegundo (~ 3,5 W a 1 kHz). Se a energia do laser de femtossegundo atingir 7 W, o número de quadros pode ser estimado em 4 x 7 / 3,5 = 8.
O pulso fundamental não convertido de 800 nm é refletido por WS. Cerca de 1% de um pulso de laser com comprimento de onda de 800 nm é direcionado a um extensor de pulso (PS ) - um distribuidor de pulso que aumenta a duração do pulso para 50 ps. O pulso estendido atua então como uma amostra para iluminar o evento ultra-rápido alvo, bem como um sinal para os subsequentes amplificadores paramétricos ópticos.
Na configuração acima, quatro sistemas de imagem ótica (OIS-1 a OIS-4) são usados entre o alvo e os amplificadores paramétricos óticos, de modo que os planos alvo e os planos amplificadores sejam acoplados um ao outro. O OIS-1 exibe o alvo no NCOPA-1 usando zoom óptico para corresponder à largura de banda espacial do amplificador, otimizando assim a qualidade da imagem. OIS-2, OIS-3 e OIS-4 são usados para visualização do relé 1x. Quatro peças de cristais β-BBO com uma espessura de 0,5 mm e uma seção transversal de 29,2 graus funcionam para OPA com combinação de fase tipo I.
Em cada amplificador, a bomba e o sinal estão localizados com um pequeno ângulo de interseção (~ 2 graus) dentro dos cristais β-BBO, de modo que a imagem em branco gerada se desvia espacialmente de ambos. O tempo de atraso entre eles pode ser ajustado independentemente usando DL (DL-1 a DL-4).
Cada caminho em branco usa uma lente para exibir um cristal β-BBO em uma câmera CCD para otimizar a qualidade da imagem.
Características do sistema FINCOPA
Usar um pulso de laser de femtossegundo como uma bomba para imagens OPA tem várias vantagens. Primeiro, um pulso de bomba mais forte pode fornecer um ganho maior no ganho paramétrico óptico. Em segundo lugar, esse pulso permite obter uma grande largura de banda espacial.
A intensidade da bomba disponível é limitada principalmente pelo dano do laser ao cristal OPA, que também depende da duração do pulso da bomba: quanto menor a duração do bombeamento, maior será a intensidade disponível. Para pulsos de femtossegundos, a intensidade da bomba pode atingir centenas de GW / cm 2 . Mas pulsos de nanossegundos geralmente têm uma intensidade abaixo de 10 GW / cm 2... Nos experimentos realizados, o bombeamento foi estabelecido em 15 GW / cm 2 e o ganho OPA foi de cerca de 30.
A calibração espacial e temporal teve que ser realizada antes do teste real.
Para começar, foi necessário calibrar a posição lateral dos quatro CCDs e a ampliação do sistema óptico de imagem. Isso foi feito capturando simultaneamente imagens de teste do CCD.
Em seguida, foi determinado o tempo inicial, ou seja, "Tempo zero" quando o sinal interage com o sistema de bombeamento NCOPA-1 (bomba-1). Este parâmetro pode ser alterado ajustando o atraso do primeiro pulso da bomba através do DL-1. Consequentemente, as posições nulas de NCOPA-2, NCOPA-3 e NCOPA-4 podem ser fixadas ajustando os atrasos de tempo de seus sistemas de bombeamento de modo que o sinal amplificado por NCOPA-1 também seja maximizado por NCOPA-2, NCOPA-3 e NCOPA. -4 ao mesmo tempo.
A imagem do quadro, que foi transferida usando um pulso idler (idler-1) e capturada pela câmera CCD-1, é a primeira imagem. As próximas três imagens em branco do CCD-2, CCD-3 e CCD-4 se tornaram a segunda, terceira e quarta imagens, respectivamente. Seus momentos a partir do tempo zero foram ajustados com DL-2, DL-3 e DL-4 para alterar os atrasos de tempo dos feixes da bomba.
Imagem ultrarrápida de plasma array
Para testar o desempenho do FINCOPA, uma matriz de plasma foi construída como primeira amostra. Isso se deve ao fato de que tal grade possui estruturas ajustáveis com um período espacial de até 10 mícrons e uma vida útil medida em picossegundos. Portanto, a visualização de tal amostra requer resolução temporal de subpicosegundos e resolução espacial no nível do micrômetro.
A grade foi excitada com dois pulsos ultracurtos não colineares a 800 nm usando um interferômetro não colinear (NCI de interferômetro não colinear ). A energia total do pulso de excitação foi de 2,4 mJ e o comprimento focal da lente (L) foi de 250 mm. O período de grade é regulado alterando o ângulo de intersecção das duas vigas (2α).
Imagem No. 2
ligada2a mostra a estrutura de grade para 2α = 3,8 graus e 2b mostra um perfil de intensidade unidimensional registrado ao longo da linha branca vertical em 2a .
Verificou-se que o período de modulação da grade é de 12 μm, o que corresponde a uma densidade de sulco de cerca de 83 lp / mm na direção vertical. De acordo com o conceito do dispositivo, o NCOPA pode resolver estruturas espaciais com uma frequência espacial de até 36 lp / mm, então o OIS-1 foi ajustado para ampliação de 3x para visualizar a amostra no NCOPA para grade de 83 lp mm.
Dois pulsos de excitação para a amostra vieram de um sistema de laser Ti: S com uma frequência de 1 kHz junto com um seletor de pulso único. Na ausência de um seletor de pulso único, o evento foi repetido com frequência de 1 kHz, portanto, foi detectado pelo método pump-sensing.
A sondagem por bomba foi usada para registrar a evolução da rede de plasma com NCOPA-1 e CCD-1, que, como visto em 2c , inclui 16 fragmentos de imagem.
Cada um dos fragmentos possui uma linha branca vertical para calibrar a posição espacial na direção horizontal. Em cada fragmento da imagem, a grade de plasma se propaga da esquerda para a direita. E o ponto zero no tempo foi definido como o momento em que o plasma cruza a linha branca no primeiro fragmento da imagem ( 2c ).
O gráfico 2d mostra modulação versus atraso. Uma análise desses dados sugere que, após o pulso da bomba passar pela linha branca, a grade de plasma torna-se monotonicamente mais forte, mas começa a desaparecer após 4 ps.
Para imagens de lapso de tempo, um seletor de pulso único foi instalado na saída do sistema Ti: S para criar uma matriz de plasma de quadro único.
Imagem # 3
A imagem acima mostra quatro grupos de imagens, cada um dos quais inclui quatro quadros da gravação de vídeo da grade obtida usando o sistema FINCOPA (vídeo # 1).
Vídeo # 1
em 3aos intervalos de tempo entre as imagens em branco adjacentes são 100 fs. Isso significa que FINCOPA opera a uma taxa de quadros de 10 Tfps (vídeo 2).
Vídeo # 2
Também pode ser visto em 3a que as listras da grade de plasma da esquerda para a direita gradualmente se tornam visíveis com o tempo, o que significa que a densidade do plasma de elétrons aumenta monotonicamente de 0 a 300 fs.
Em 3b apresenta os quadros no tempo 0, 200, 400 e 600 fs, ou seja, com um intervalo entre os quadros 200 fs (vídeo # 3).
Vídeo # 3
As listras na grade de plasma estão se tornando cada vez mais distintas, o que pode ser verificado alterando a modulação ao longo das linhas brancas ( 3f ).
Com base em dados de 3e e 3f, o intervalo entre os quadros foi aumentado para 1 ps, e o momento NCOPA-1 registrado foi movido do momento de tempo zero para 1 ps (vídeo # 4).
O vídeo №4
em 3c e 3g mostra a curva de modulação e a imagem refletindo uma tendência de aumentar a grade de plasma ( 3a e 3b ).
Em 3d mostra quadros em 5, 8, 20 e 30 ps (vídeo №5). A visibilidade das franjas diminui com o tempo, o que significa que a grade de plasma começa a desaparecer gradualmente de 5 a 30 ps. Como resultado, em contraste com 3e - 3g , a modulação por 3h diminui com o tempo.
Vídeo # 5
Para coletar informações completas das imagens 3e - 3h , as características temporais da modulação normalizada da grade foram obtidas a partir das linhas brancas de cada imagem (marcas azuis em 4a ; marcas vermelhas correspondem a 2d obtidas por bombeamento-sondagem).
Imagem №4 A
comparação dos resultados de ambos os métodos (ou seja, comparação das etiquetas vermelha e azul) mostrou que os resultados de ambos os métodos coincidem, ou seja, O sistema FINCOPA está funcionando corretamente.
No caso em que 2α = 2,5 graus, o período da grade de plasma torna-se cerca de 18 μm (isto é, a densidade de sombreamento é 56 lp / mm).
Os mesmos experimentos foram realizados como na imagem No. 3, mas com 2α = 2,5, não 3,8 graus. Resultados ( 4b) mostram uma boa concordância de modulações normalizadas entre o método de sondagem de bomba e o método FINCOPA.
Além disso, a evolução da rede ao longo da direção de sua propagação foi considerada. A partir de quadros 4x4, o coeficiente de modulação foi obtido dependendo da coordenada espacial ao longo da direção de propagação para diferentes valores de τ, por exemplo, 0,8, 1, 2 e 4 ps ( 5a ).
Imagem nº 5
O pico de modulação muda para a direita com o aumento de τ, o que é explicado pelo fato de que um par de pulsos de bomba se propagou da esquerda para a direita. Como a grade de plasma é um objeto de modulação de baixa intensidade, o contraste da imagem medido é relativamente baixo. Usando a filtragem espacial, foi possível remover o fundo e aumentar o contraste da imagem.
Outro fenômeno observado foi que os valores de modulação de pico diminuíram com a distância do centro ao longo da direção x. A Figura 5b mostra a evolução da modulação da rede em função do tempo de 0 a 30 ps em quatro posições ao longo da direção x (ou seja, x = –15, –60, –90 e –500 μm). Todas as posições mostram uma evolução semelhante de modulação, mas os máximos diminuem à medida que a posição é deslocada do centro para a esquerda. Assim, 5b implica na dependência da modulação da grade em x, que pode resultar da dependência da intensidade do pulso de excitação em x.
Imagem ultrarrápida de um campo óptico giratório
Imagem # 6
Para verificação adicional da resolução temporal de FINCOPA, a visualização (configuração em 7b ) de um campo óptico rotativo ultrarrápido com uma frequência de 20 Hz e uma velocidade de rotação de mais de 10 trilhões de radianos por segundo (Trad / s) foi realizada.
Imagem nº 7
Baixa taxa de repetição (20 Hz) significa que esse tipo de campo óptico pode ser amplificado para uma potência extremamente alta (por exemplo, dezenas de terawatts e até mais). No entanto, para um sistema a laser, uma taxa de repetição baixa é geralmente acompanhada por uma grande flutuação semelhante a um salto de seus pulsos de saída, de modo que o método de detecção de bomba pode levar a uma imprecisão de medição significativa.
O campo estudado foi criado por dois pulsos de vórtice chirped com diferentes cargas topológicas (± l) e atraso de tempo (δt). Se ajustarmos o atraso de tempo de um par de pulsos chilreados para 1 ps, o campo óptico gira com uma diferença nas frequências angulares Δω = ∼27 Trad / s (ou seja, o ciclo de rotação é 466 fs).
O sistema FINCOPA visualizou este evento com um intervalo de quadro Δt = 66,7 fs, ou seja, com uma frequência de 15 trilhões de quadros por segundo (vídeo # 6). A imagem 6 mostra um campo girando em um ângulo de ∼0,9π rad em 200 fs.
Vídeo # 6
Para um conhecimento mais detalhado das nuances do estudo, recomendo que você dê uma olhada no relatório dos cientistas .
Epílogo
Costuma-se dizer que um mestre não é nada sem seus instrumentos. Talvez seja um exagero, pois ninguém cancelou talento, habilidade e conhecimento. No entanto, no aspecto de pesquisar quaisquer processos, as ferramentas desempenham um papel importante.
Neste trabalho, os cientistas demonstraram um sistema de imagens de alta velocidade viável que é capaz de capturar qualquer coisa a uma taxa de quadros de até 15 trilhões. Até agora, não existiam tais indicadores, então podemos conversar com segurança sobre como estabelecer um novo recorde.
Os próprios autores estão confiantes que a sua ideia vai permitir aprender muitas coisas novas tanto nos fenómenos e processos já estudados, como naqueles que ainda não puderam ser considerados por falta de equipamentos necessários.
É claro que os autores do estudo não pretendem se gabar, pois seu sistema requer melhorias e melhorias, que no futuro podem levar ao fato de que o método FINCOPA se tornará tão comum e comum quanto a microscopia convencional. Pelo menos esse é o sonho dos cientistas. O tempo dirá se isso se tornará uma realidade.
Obrigado pela atenção, fiquem curiosos e tenham uma boa semana de trabalho, pessoal. :)
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